7.3 Автоматическая регулировка усиления
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначена для поддержания постоянной мощности сигнала на выходе УПЧ – необходимое условие нормальной работы выходных устройств приемника. Уровень сигнала на входе приемника может изменяться в очень широких пределах; при максимальном напряжении на входе РПрУ система АРУ должна обеспечить минимальный коэффициент усиления усилительно-преобразовательного тракта (УТ) приемника и наоборот. Таким образом, задача АРУ — изменять усиление усилительно-преобразовательного тракта РПрУ в зависимости от уровня входного сигнала.
Система АРУ имеет устройство, напряжение ЕРЕГ на выходе которого зависит от уровня сигнала в радиотракте. Таким устройством может служить, например, амплитудный детектор. Напряжение ЕРЕГ, подаваемое на усилительные каскады, изменяет их коэффициент усиления. Для АРУ в приемнике создается цепь, состоящая из детектора АРУ и фильтра. За счет АРУ в приемнике диапазон изменения напряжения сигнала UВЫХ /UВЫХном на его выходе меньше, чем диапазон изменения сигнала UВХ/UВЫХном на входе, здесь UВЫХном и UВХном — требуемые номинальные напряжения соответственно на выходе и входе приемника. Чем меньше это отношение, называемое диапазоном АРУ, тем эффективнее АРУ в приемнике.
В зависимости от способа подачи регулируемого напряжения АРУ подразделяются на обратные, прямые и комбинированные.
7.3.1 Обратная АРУ – рис. 9.5, а). В этой схеме напряжение регулировки ЕРЕГ формируется из напряжения UВЫХ на выходе регулируемого усилителя (РУ), в котором могут применяться способы регулировки усиления, рассмотренные в § 9.2. Напряжение ЕРЕГ подается со стороны выхода в направлении входа РУ, что и обусловило название этого вида АРУ. Детектор АРУ (Д) обеспечивает напряжение ЕРЕГ на его выходе, пропорциональное амплитуде напряжения UВЫХ: ЕРЕГ = КДUВЫХ. Фильтр АРУ (Ф) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения UВЫХ. Цепь АРУ, которая состоит только из детектора и фильтра, называют простой АРУ. В цепь АРУ может включаться усилитель до или после детектора. Усилитель до детектора АРУ — это УПЧ, после детектора — УПТ. В высококачественных РПрУ усилитель иногда включают и до, и после детектора. При наличии в цепи АРУ усилителя ее называют усиленной.
Работа регулируемого усилителя совместно с цепью АРУ описывается амплитудной характеристикой – зависимостью UВЫХ = F(UВХ) – рис. 9.6. При увеличении напряжения UВХ на входе регулируемого усилителя с простой цепью АРУ коэффициент усиления К0 уменьшается за счет АРУ, поэтому выходное напряжение UВЫХ = К0UВХ увеличивается в меньшее число раз, чем напряжение UВХ. С повышением UВЫХ увеличивается ЕРЕГ и соответственно уменьшается К0. Недостаток простой АРУ – усиление энергии сигналов уменьшается и при слабых входных сигналах, когда этого не требуется. Для устранения этого недостатка используют АРУ с задержкой, в которой цепь АРУ начинает действовать только в том случае, когда входное напряжение UВХ превышает пороговое UПОР; при этом слабые сигналы цепью АРУ не ослабляются – рис. 9.6. При идеальной работе цепи АРУ с задержкой для UВХ UПОР напряжение на выходе усилителя постоянно (штриховая линия на рис. 9.6). По мере увеличения коэффициента усиления усилителя в цепи регулировки характеристика АРУ реального усилителя все в большей степени приближается к идеальной. Особенностью является то, что она не позволяет получать
При обратной регулировке можно лишь приближаться к идеальной характеристику АРУ. Обратная АРУ не может быть идеальной, поскольку для ее работы принципиально необходимо приращение выходного напряжения UВЫХ. Если допустить, что АРУ идеальна, то UВЫХ = 0, при этом ЕРЕГ = const; К0 = const, регулировка отсутствует, а следовательно, выходное напряжение UВЫХ должно возрастать.
7.3.2 Прямая АРУ – рис. 9.5, б). Цепь прямой АРУ подключена к входу регулируемого усилителя, напряжение регулировки ЕРЕГ формируется в результате детектирования входного напряжения. При увеличении UВХ напряжение на выходе детектора АРУ возрастает, при этом увеличивается ЕРЕГ, что вызывает уменьшение К0. Напряжение на выходе детектора UВЫХ = К0UВХ. Если UВХ увеличивается, то К0 уменьшается; при этом их произведение может оставаться постоянным. Прямая АРУ позволяет в принципе получить идеальную характеристику регулировки (рис. 9.7), но практически добиться этого не удается. Такой АРУ свойствен ряд недостатков, основной из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный усилитель с большим коэффициентом усиления. Прямая АРУ нестабильна – подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например, изменение температуры или напряжения источника питания увеличивает коэффициент усиления К0 регулируемого усилителя, то характеристика АРУ из идеальной превратится в характеристику с нарастающим UВЫХ – рис. 9.7.
7.3.3 Комбинированная АРУ – рис. 9.5, в) – рационально объединяет преимущества обратной и прямой АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения идеальной характеристики в прямой АРУ. Для первого усилителя — это обратная, а для второго — прямая АРУ. Основная регулировка происходит в регулируемом усилителе РУ1, который, как правило, содержит несколько регулируемых каскадов. Второй регулируемый усилитель обычно однокаскадный, его основная задача — несколько скомпенсировать возрастающее напряжение на выходе первого усилителя. То, что идеальная регулировка не достигается на практике, не имеет большого значения, так как пределы изменения UВЫХ невелики.
7.3.4 Бесшумная АРУ. Система АРУ обеспечивает в приемнике максимальное усиление при слабом сигнале. Это приводит к увеличению уровня шумового напряжения на выходе приемника. Устраняет это явление бесшумная АРУ (рис. 9.5, г), для реализации которой создается специальная цепь бесшумной регулировки БШР, управляемая напряжением ЕРЕГ. Если ЕРЕГ становится, ниже определенного уровня Епор, то цепь БШР формирует напряжение ЕЗ, запирающее усилитель звуковой частоты (УЗЧ); превышение ЕРЕГ порогового значения Епор приводит к «обнулению» запирающего напряжение ЕЗ – к отпиранию УЗЧ и восстановлению работы приемника. Используются различные схемных реализации цепи БШР.
7.3.5 Фильтр в цепи АРУ. Амплитуда сигнала в приемнике изменяется по двум причинам: 1) при использовании амплитудной модуляции; 2) при замираниях, из-за которых уровень сигнала на входе приемника изменяется в широких пределах по случайному закону. Система АРУ должна устранять только замирания сигнала, но не должна реагировать на полезные изменения амплитуды АМ сигнала, что обеспечивается с помощью фильтра АРУ.
Скорость полезных и вредных изменений амплитуды сигнала различна. При АМ амплитуда сигнала подвержена быстрым изменениям, например при телефонной связи и звуковом радиовещании частота модуляции составляет 50...5000 Гц. Замирания сигнала в основном медленные, обычно частота замираний 0,1...10 Гц. Напряжение ЕД, на выходе детектора АРУ содержит полезную составляющую и паразитную – из-за замираний сигнала. Напряжение ЕРЕГ на выходе фильтра АРУ определяется только вредной
составляющей напряжения ЕД. В качестве фильтра используют обычно простую цепь RФCФ. Если АРУ осуществляется в нескольких регулируемых каскадах усиления, то ставят не один, а несколько фильтров.
7.3.6 Искажения АМ сигнала в усилителе с АРУ. В реальных целях АРУ фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции напряжения на выходе детектора АРУ. Это приводит к искажениям сигнала. Для изучения механизма искажений положим вначале, что цепь АРУ идеальна, а на входе регулируемого усилителя действует АМ колебание с модуляцией одним тоном частоты = 2F – огибающая этого колебания
UВХ = UH(1+ m cos t),
где т – коэффициент модуляции; – угловая частота модулирующего колебания;
UH – амплитуда несущего колебания.
При идеальной АРУ цепь регулировки вырабатывает постоянное напряжение ЕРЕГ.0, при котором коэффициент усиления
К0 = SРЕГЕРЕГ,
где SРЕГ — крутизна регулировочной характеристики. При идеальной цепи АРУ огибающая выходного напряжения
UВЫХ = К0UВХ = К0UH(1+ mcost). (9.1)
В реальной цепи АРУ фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции и вносит фазовые сдвиги, что обусловливает искажения сигнала. Эти искажения, проявляются в следующем: 1) зависимость коэффициента усиления от частоты модуляции приводит к зависимости коэффициента модуляции от частоты сигнала, при отрицательной SРЕГ глубина модуляции сигнала уменьшается; 2) напряжение на выходе усилителя дополнительно модулируется второй гармоникой сигнала с частотой 2F, что приводит к нелинейным искажениям закона модуляции. Эти искажения тем больше, чем больше произведение mSРЕГ, при mSРЕГ = 0 искажения отсутствуют.
7.3.7 АРУ приемников импульсных сигналов (рис. 9.8) отличается двумя особенностями.
1. Импульсный сигнал детектируется дважды: вначале детектором радиоимпульсов (Дри), а затем пиковым детектором (Дп). Детекторы необходимы не только для нормальной работы АРУ, но и для детектирования сигнала в самом приемнике. Чтобы не ставить два детектора (в цепь сигнала и в цепь АРУ), детектор радиоимпульсов часто делают общим. Общим может быть и видеоусилитель (ВУ).
2. В интервалах между полезными импульсами могут возникать помехи; при импульсной многоканальной связи между импульсами данного канала действуют импульсы других каналов. В этом случае АРУ реагирует на все импульсы, а не только на те, которые должны быть выделены. Для устранения этого недостатка цепь АРУ открывают только на время действия полезных импульсов. С этой целью в одном из каскадов цепи АРУ применяют стробирование – он открывается на интервале действия полезного импульса специальным импульсом, который называют стробирующим (СИ).
7.3.8 Быстродействующая АРУ служит для устранения перегрузки усилителя при действии мощной помехи. В усилителе регулируется режим усилительных элементов – при мощной помехе цепь АРУ формирует регулирующее напряжение ЕРЕГ, смещающее режим усилительных элементов в область с низким усилением. Особенность быстродействующей АРУ—высокая скорость ее срабатывания при мощной помехе; цепь быстродействующей АРУ инерционна для сигнала и срабатывает только от помехи. Постоянная времени фильтра быстродействующей АРУ во много раз меньше постоянной времени фильтра АРУ.
7.3.9 Переходные процессы в системе обратной АРУ проявляются при изменении амплитуды входного сигнала UВХ – из-за замираний. Если входное напряжение UВХ скачком возросло, то выходное напряжение UВЫХ (в предположении безынерционности усилителя) также скачком возрастет, что приводит к скачкообразному увеличению напряжения на входе цепи АРУ. Из-за наличия в цепи АРУ инерционных элементов – фильтра детектора АРУ и ФНЧ детектора сигнала – регулирующее напряжение ЕРЕГ изменяется не скачком, а нарастает постепенно, что приводит к уменьшению К0 усилителя. Это в свою очередь вызывает уменьшение UВЫХ и соответственно изменение законов нарастания ЕРЕГ и уменьшения К0; как следствие, характер уменьшения UВЫХ становится сложным. В усилителе с АРУ возникает переходный процесс, и прежде чем напряжение UВЫХ на его выходе установится, проходит определенное время.
Закон изменения UВЫХ в процессе установления, который может
быть апериодическим либо колебательным, зависит от типа ФНЧ в цепи АРУ. Если ФНЧ — однозвенный RC-фильтр, то UВЫХ устанавливается по экспоненциальному апериодическому закону с = RC/(1 + КРЕГ), где КРЕГ = (К0 /К0)/(UВХ /UВХ ), UВХ, и К0 — приращение входного напряжения и соответственно вызываемое им приращение коэффициента усиления регулируемого усилителя. Такая схема называется системой АРУ первого порядка. Если ФНЧ — двух- или трехзвенный, то переходный процесс
носит колебательный характер, что нарушает нормальный прием сигнала.